BEET05 Kleinmaschinen - Lehrstuhl für Energiewandlung

Lehrstuhl für Energiewandlung
Dr.-Ing. C. Kreischer
Praktikumsversuch
BEET 05
Kleinmaschinen
© LS-EWA (2016)
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
Seite 1
1 Einleitung
Elektrische Maschinen werden häufig in drei Klassen eingeteilt: in Maschinen
großer, mittlerer und kleiner Leistung. Diese Klassen, die sich außer durch die Leistung auch durch besondere Eigenschaften, Ausführungsarten und Fertigungsverfahren der Maschinen unterscheiden, gehen fließend ineinander über. Die obere Leistungsgrenze von Kleinmaschinen nimmt man gewöhnlich bei einer abgegebenen
Leistung von 1 kW an.
Folgende, typische Merkmale sind für Kleinmaschinen kennzeichnend:
Es handelt sich um Motoren zum Antreiben von Geräten, die zu den Verbrauchsgütern zählen. Daher muss die Herstellung kostengünstig sein. So zielt der Entwurf
vor allem auf eine optimale Fertigung und hohen Automatisierungsgrad bei der Produktion ab. Dem Wirkungsgrad kommt nur eine untergeordnete Bedeutung zu.
Neben den für Konsumgüter bestimmten Kleinmotoren gibt es hochwertige Maschinen mit optimalem Leistungsgewicht, hohem Wirkungsgrad, langer Lebensdauer und
extremen Drehzahlen. Sie werden in Geräten der Datenverarbeitung, der gehobenen
Unterhaltungselektronik, Medizintechnik oder der Luft- und Raumfahrttechnik eingesetzt.
Aufgrund ihrer großen Stückzahlen haben Kleinmotoren eine große wirtschaftliche
Bedeutung. Heute sind in einem Haushalt im Mittel 70 Kleinmotoren im Einsatz.
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Seite 2
2 Ein- und Zweiphasenasynchronmaschine
Dreiphasen-Asynchronmaschinen
(ASM) haben
wegen
ihres
einfachen
und
robusten Aufbaus eine große Verbreitung gefunden. Das macht diesen Maschinentyp auch für Kleinantriebe interessant, und zwar unter der Voraussetzung, ihn an
1-Phasen-Wechselspannung betreiben zu können.
2.1 Aufbau
Sowohl die 3-Phasen-ASM als auch die 1- und 2-Phasen-ASM besitzen einen feststehende Teil (Ständer, Stator) und einen drehbar gelagerten Teil (Rotor, bei
Gleichstrommaschine: Anker). Der Ständer trägt Kupferwicklungen/Kupferspulen zur
Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes. Der Rotor besteht häufig aus einem
Aluminiumkäfig. Die Stäbe des Käfigs sind über zwei Kurzschlussringe an den
Enden elektrisch kurzgeschlossen (Käfigläufer).
Bild 1: Stator und Käfigläufer einer Asynchronmaschine
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2.2 Die Wirkungsweise einer Drehstrom-Asynchronmaschine
Sowohl die Ein- und Zweiphasenasynchronmaschinen als auch die Drehstromasynchronmaschinen zählen zu den sog. Induktionsmaschinen. Zum grundsätzlichen
Verständnis der Wirkungsweise eines Ein- und Zweiphasenasynchronmotors ist es
daher sinnvoll, die Drehstrom- Asynchronmaschine (ASM, DASM) zu kennen. Deshalb werden hier nochmals die grundlegenden physikalischen Zusammenhänge einer DASM kurz erläutert.
2.2.1 Drehfeld
Entscheidend für die Funktion einer Asynchronmaschine ist ein Drehfeld (daher
auch der Begriff Drehfeldmaschine). Dies wird durch die stromdurchflossenen Wicklungen im Stator erzeugt. Zur Erzeugung eines Drehfeldes müssen vorhanden sein:

Wicklungen im Ständer des Motors, welche um 120°/p (p: Polpaarzahl)
räumlich zueinander verdreht sind.

Speisung
der
Wicklungen
mit
Dreiphasendrehstrom
(drei
um
120°
zeitlich phasenverschobene Wechselstromsysteme).
Die Drehstromwicklung ist so angeordnet, dass bei Speisung der einzelnen Wicklungen mit Gleichstrom unterschiedlicher Amplitude ein quasi-sinusförmiges magnetisches Feld im Luftspalt entsteht. Dieses Feld besitzt dann 2p Pole bzw. p Polpaare.
Durch die Speisung mit Drehstrom wandert das Feld um den Umfang der Maschine.
Bild 2: Verlauf eines Drehfeldes mit p=1 zu drei verschiedenen Zeitpunkten
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Ein
Drehfeld:
periodisch
veränderliches
Feld,
bei
dem
die
räumliche Lage der Nullstellen und Maxima zeitlich veränderlich ist, heißt Drehfeld.
Ein periodisch veränderliches Feld, bei dem die Lage
Wechselfeld:
der Nullstellen und Maxima räumlich nicht veränderlich
ist, heißt Wechselfeld.
Ein Wechselfeld lässt sich durch zwei gegensinnig laufende Drehfelder mit gleicher Amplitude beschreiben.
Zwei
Elliptisches Drehfeld:
gegensinnig
laufende
Drehfelder
schiedlicher Amplitude erzeugen ein
unter-
elliptisches Dreh-
feld.
Zwei gleichsinnig laufende Drehfelder mit unterschied-
Kreisdrehfeld:
licher oder gleicher Amplitude erzeugen ein Kreisdrehfeld.
Tabelle 1: Dreh- und Wechselfelder
ω1
ω1
ω1
Br
ω1
B1
Br
ω1
ω1
B1
B2
Br
ω1
B1
B2
B2
Bild 3: a) Kreisdrehfeld
b) elliptisches Feld
c) Wechselfeld
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Die Geschwindigkeit ω, mit der das Drehfeld am Umfang rotiert, ergibt sich aus der
Anzahl der Polpaare p und der elektrischen Frequenz f des Stromes:
wsyn = 2p
f
p
Wird z.B. eine zweipolige Maschine, dies entspricht einer Polpaarzahl von eins mit
f= 50Hz gespeist, so rotiert das Drehfeld mit ω=314,2 1/s. Häufig wird jedoch nicht
die Winkelgeschwindigkeit, sondern die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute
(U/min) verwendet. Sie wird synchrone Drehzahl bzw. Drehfelddrehzahl genannt:
nsyn =
f
p
Für dieses Beispiel ergibt sich eine synchrone Drehzahl von n=50Hz=3000U/min. Eine 4-polige Maschine mit f=50Hz besitzt dem zufolge eine Drehfelddrehzahl
n=1500U/min, etc.
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Bild 3a): Entstehung eines Drehfeldes durch eine Zweiphasenwicklung
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Die Wirkungsweise einer Asynchronmaschine kann man nun wie folgt erklären:
Stator erzeugt ein Drehfeld mit wsyn = 2p f p
Drehfeld durchsetzt den Rotor  Spannungsinduktion im Rotor
Rotorstäbe kurzgeschlossen  Stromfluß im Rotor
Statorfeld + Stromfluss im Rotor = Kraft auf Rotorwicklungen
Maschine entwickelt Drehmoment und beschleunigt
Bei Lauf mit Drehfeld-Drehzahl nsyn  keine Spannungsinduktion im Rotor
kein Rotorstrom  keine Kraft bzw. kein Drehmoment
Maschine wird durch innere Reibung oder durch Last gebremst
es stellt sich eine Drehzahl n < nsyn ein, bei der die Maschine das erforderliche Drehmoment liefert
Tabelle 2: Prinzipielle Wirkungsweise einer Asynchronmaschine
Aus der Bedingung, dass die Drehzahl des Rotors nmech hinter der synchronen Drehzahl des Drehfeldes nsyn zurückbleiben muss, resultiert auch die Bezeichnung
Asynchronmaschine.
Um die Drehzahl von Maschinen unterschiedlicher Polpaarzahlen vergleichbar zu
machen, wird die normierte Größe Schlupf s eingeführt. Der Schlupf ist definiert als
Differenz
zwischen
mechanischer
Drehzahl
und
synchroner
Drehzahl/Drehfelddrehzahl, und zwar bezogen auf die synchrone Drehzahl:
s=
fsyn - f
fsyn
=
nsyn - n
nsyn
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Der (stationäre) Drehzahl-Drehmomenten-Verlauf einer ASM:
→n
Bild 5: Drehzahl-Drehmomentenkennline (M-n-Kennlinie) einer ASM
Die ASM hat ein maximales Moment (Kippmoment) Mk, welches beim Kippschlupf sk
auftritt. Sind diese beiden Größen bekannt, so kann der Drehzahl-DrehmomentenVerlauf durch die Kloss´sche Formel beschrieben werden:
M=
2Mk
sk
s
+
s sk
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2.3 Einphasenmotor
Ein Einphasenmotor trägt eine Wechselstromwicklung im Stator und wird mit
Wechselstrom betrieben. Daher wird im Luftspalt ein Wechselfeld erzeugt. Wie bereits gezeigt, läßt sich ein Wechselfeld in zwei gegensinnig laufende Drehfelder zerlegen. Folglich kann man die Wirkung eines Einphasenasynchronmotors beschreiben als zwei gegensinnig laufende Drehfeldmaschinen gleicher Leistung an einer
Welle. Die Drehzahl-Drehmomentkennlinie erhält man dann aus der
Addition der Kennlinien der beiden Asynchronmaschinen (Mres=MI+MII).
Bremse I
M
Motor I
Generator I
MI
-ns
0
Mres
=ˆ sII
ns
n
n
=ˆ sI
MII
Generator II
Motor II
Bremse II
ns : synchrone Drehzahl sI
: Schlupf des Motors I sII :
Schlupf des Motors II
Bild 6: Drehzahl-Drehmomentenverlauf (Mres) eines Einphasenasynchronmotors
Wie der Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie zu entnehmen ist, entwickelt die Maschine kein Anzugsmoment (M(n=0)=0), d.h. die Maschine läuft nicht selbständig an.
Sie muss angeworfen werden (Anwurfmotor) und dreht sich dann in die jeweilige
Anwurfrichtung. Allerdings erst wenn ein Motor selbständig anlaufen kann, ist er für
die Praxis brauchbar. Dazu muss (s.o.) vom Ständer ein Kreis- oder ein elliptisches
Drehfeld erzeugt werden. Hierfür wird der 1-Phasen-Motor mit einem zusätzlichen
Strang (Hilfsstrang) ausgeführt (zweite Phase → 2-Phasen-Motor, Zweistrangmotor).
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2.4 Zweiphasenmotor
Der Zweiphasenmotor besitzt zwei Wicklungen, welche bei Speisung mit 90O phasenverschobenen Strömen in der Lage sind, ein elliptisches bzw. ein Kreisdrehfeld
zu erzeugen. Da der Motor jedoch nur von einem Einphasennetz gespeist werden
kann, besteht das Problem darin, in den Wicklungen eine Phasenverschiebung der
Ströme um 90∞ zu erzielen. Dies kann man mit einem Kondensator
erzielen,
cher zu einer der beiden Wicklungen (i.d.R. zur Hilfswicklung)
geschaltet
wird.
Weil
die
in
welReihe
Wicklungsimpedanzen schlupfabhängig sind, lässt
sich das ideale Kreisdrehfeld nur in einem bestimmten Betriebspunkt erreichen. In
diesem Punkt verhält sich eine zweisträngige Wicklung wie ein DreiphasenAsynchronmotor. Für alle anderen Betriebspunkte ergibt sich ein elliptisches Drehfeld.
Für die Beschaltung zweisträngiger Motoren gibt es drei Möglichkeiten:
CA
1.
2.
CA
CB
CB
M
~
UN
M
~
M
~
UN
UN
CA = Anlauf-Kondensator
CB = Betriebs-Kondensator
Bild 7: Beschaltungen zweisträngiger Motoren
Anstelle eines Kondensators kann auch ein Widerstand (Widerstandshilfstrangmotor) oder eine Induktivität in Reihe zur Hilfswicklung gelegt werden. In
der Praxis wird jedoch am häufigsten der Kondensatormotor eingesetzt.
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2.4.1 Kondensatormotor
Am häufigsten schaltet man Kondensatoren in Reihe zur Hilfswicklung und kann damit eine optimale Phasenverschiebung von 90° erreichen, jedoch nur für einen einzigen Betriebspunkt. Ein Betriebskondensator CB bleibt dauernd eingeschaltet. Ist ein
hohes Anzugsmoment erwünscht, schaltet man einen zweiten Kondensator, einen
sogenannten Anlasskondensator CA, parallel zum Betriebskondensator. Der Anlasskondensator wird nach erfolgtem Hochlaufen, etwa bei Erreichen des Kippmomentes, durch ein Relais oder einen Fliehkraftschalter abgeschaltet. Oft sieht
man auch nur einen abschaltbaren Anlasskondensator vor. Der nach dem Abschalten des Hilfsstranges einsträngig wirkende Motor dreht sich ja in der Anlaufrichtung
weiter.
2.4.2 Widerstandshilfsstrangmotor
In einigen Fällen wird der Wirkwiderstand des Hilfsstranges gegenüber dem des
Hauptstranges künstlich erhöht. Dazu legt man entweder einen ohmschen Widerstand in Serie zur Hilfswicklung oder verwendet für die Hilfswicklung Widerstandsdraht. Wegen der hohen Stromwärmeverluste im Hilfsstrang wird dieser abgeschaltet, wenn der Motor angelaufen ist. Der Widerstandshilfsstrang-Motor ist zwar kostengünstiger und noch robuster als der Kondensator-Motor, bei dem der Kondensator
eher zu Ausfällen führt, erreicht aber nicht dessen große Phasenverschiebung.
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3 Spaltpolmotor
3.1 Aufbau
Auch beim Spaltpolmotor wird die Idee verfolgt, aus 1-Phasen-Wechselspannung
ein Drehfeld bzw. ein elliptisches Feld zu erzeugen. Dabei wird eine Bauform nach
Bild 8b) gewählt. Die Hauptwicklung (Spule) sitzt auf dem Eisenkern. Die Hilfswicklung besteht aus kurzgeschlossenen Kupferringen, die jeweils einen Teil des Pols
(Spaltpol) umschließen. Der Rotor wird als herkömmlicher Kurzschlussläufer zumeist
mit Aluminiumkäfig ausgeführt. Häufig ist ein Lüfter vorgesehen, da die Stromwärmeverluste, vor allem in der Kurzschlusswicklung beträchtlich sind.
Spaltpolmotoren werden in großen Stückzahlen für kleine Leistungen (bis ca. 100W)
produziert. Man unterscheidet den symmetrischen (Haupt- und Hilfspol gleich groß)
und den asymmetrischen Aufbau (s. Bild 8b). Der asymmetrische Aufbau ist besonders leicht zu fertigen. Hier lassen sich aber nur 2-polige Maschinen bauen.
a) Der Motor treibt den Ventilator in einer
Tiefkühltruhe an.
Bild 8: Spaltpolmotor
b) Prinzipieller Aufbau eines asymmetrischen
Spaltpolmotors
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3.2 Die Wirkungsweise des Spaltpolmotors
Der Spaltpolmotor wird am 50 Hz bzw. 60 Hz Wechselstromnetz betrieben. Daher
fließt durch das Eisen und durch die Pole ein magnetischer Wechselfluss. In den
Kurzschlussringen wird demzufolge eine Spannung induziert (Induktionsgesetz).
Im Kurzschlussring fließt ein Strom. Dieser Strom erzeugt ebenfalls ein magnetisches Feld, welches dem ursprünglichen Feld entgegengesetzt ist (Lenz´sche Regel). Daher löscht das Magnetfeld des Ringes den Fluss durch den Spaltpol, so dass
nur noch ein Fluss durch den Hauptpol verläuft. Wird der Hauptfluss zu Null, so fließt
noch Strom durch den Kurzschlussring und erzeugt einen Fluss, der durch den
Spaltpol verläuft. Dieser Fluss ist deutlich kleiner als der maximale Hauptfluss.
t=0
t=π/4
Bild 9: Verlauf des Magnetflusses beim Spaltpolmotor
Das Bild verdeutlicht, dass sich der Fluss durch den Rotor eines Spaltpolmotors zeitlich und räumlich verändert. Es entsteht ein stark elliptisches Drehfeld. Dies
reicht aber aus, damit der Motor selbständig hochläuft.
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4 Universalmotor
Universalmotoren sind, genau wie Gleichstrommaschinen, Kommutatormaschinen.
Sie lassen sich sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betreiben. Ihre Drehzahl ist unabhängig von der Netzfrequenz. Deshalb lassen sich auch wesentlich größere Drehzahlbereiche als bei Asynchronmotoren oder bei Spaltpolmotoren erreichen. Die Drehzahlstellung ist recht unkompliziert (Veränderung der Ankerspannung). Daher hat der Universalmotor eine große Bedeutung für Kleinantriebe (z.B.
drehzahlvariable Bohrmaschine).
Das Wirkprinzip beruht auf dem Gleichstrommotor (GM). Um die Drehrichtung eines
GM umzukehren, muss entweder die Richtung des Ankerstroms oder die Richtung
des Erregerstroms geändert werden. Geschieht beides gleichzeitig, so ändert sich
die Drehrichtung nicht. Werden nun Anker und Erregung in Reihe geschaltet (Reihenschlussmaschine), so werden bei Betrieb mit Wechselstrom sowohl Anker
als auch Erregung jeweils gleichzeitig umgepolt. Somit ändert sich die Richtung des
erzeugten Drehmomentes nicht. Jedoch ist das Moment zeitlich nicht konstant (wie
bei Betrieb mit Gleichstrom), sondern pulsierend.
4.1 Aufbau
Im Gegensatz zur Gleichstrommaschine werden beim Universalmotor aufgrund der
auftretenden Wechselfelder im Luftspalt, die Erregerpole geblecht. Dies reduziert die
induzierten Wirbelströme im Statorblech. Der Universalmotor wird i.d.R. 2-polig ausgeführt. Anker- und Erregerwicklung werden immer in Reihe geschaltet (Reihenschlussmotor). Bei den Kleinmaschinen wird i.d.R. aus Kostengründen immer auf
Wendepole und Kompensationswicklung zur Verbesserung der Kommutierung verzichtet.
4.2 Wirkungsweise
Die Drehmomentbildung erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie beim Gleichstrommotor, welches hier nochmals wiederholt wird. Auf einen stromdurchflossenen Leiter im
Magnetfeld wirkt die Lorentzkraft:
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→
→
→
F = I ⋅ (L× B)
F:
Lorentzkraft
I:
Strom durch den Leiter
L:
Leiterlänge
B:
Magnetische Flussdichte
Das magnetische Feld H, bzw. die magnetische Flussdichte B des Ständers wird von
den Erregerpolen oder von Permanentmagneten erzeugt, und durchsetzt den Anker
(Rotor), auf dem die Ankerwicklungen angebracht sind. Dort fließe der Strom I. Die
resultierende Kraft F führt nun dazu, dass ein Drehmoment auf den Anker wirkt. Die
daraus entstehende Drehbewegung und die Wirkung des Kommutators sind in folgenden Bildern verdeutlicht. Das Feld B wird in diesem Beispiel von einem Permanentmagneten erzeugt. Diese Beispielmaschine hat nur eine Wicklung, und soll lediglich das Funktionsprinzip verdeutlichen.
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Bild 10: Entstehung des Drehmoments bei einer GM
Mit einer einzelnen Wicklung kann jedoch keine große Kraft und damit auch kein großes Drehmoment erreicht werden. Daher
enthält eine reale Maschine viele Wicklungen. Entscheidend ist die dabei Anordnung der Wicklung. Im folgenden Beispiel wird hier
eine Trommelwicklung mit 8 Läuferspulen gezeigt.
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Seite 17
4
2
1
2
3
1
3
8
4
N
4
8
2
3
1
6
3
7
5
7
5
5
6
4
2
7
1
6
8
a) Trommelwicklung mit 4 Spulen
b) Vereinfachte Darstellung der Trommelwicklung
Bild 11: Trommelwicklungen
Die in den oberen Bildern gezeichnete Läuferstellung und Stromverteilung sei nochmals verdeutlicht:
1. Der Strom wird über die rechte Bürste in die Lamelle 3 eingespeist.
2. Lamelle 3 speist die Spulen 5/8 und 6/3.
3. Strom fließt über die Spule 5/8 zur Lamelle 4 und über Spule 6/3 zur Lamelle 2.
4. Lamelle 4 Æ Spule 7/2 Æ Lamelle 1.
5. Lamelle 2 Æ Spule 4/1 Æ Lamelle 1.
6. Über die linke Bürste schließt sich der Stromkreis.
7.
S
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4.3 Kommutierung
Wie gesehen, wird bei der Gleichstrommaschine der Strom in den Ankerwicklungen bei Drehung laufend umgepolt. Den
Umpolvorgang nennt man Kommutierung.
Bild 12: Kommutierungsvorgang
Demnach fließt in einer Ankerwicklung ein pulsierender Gleichstrom mit der Frequenz fel = n*p. Der Kommutierungsvorgang ist
sehr wichtig für den Betrieb der Gleichstrommaschine. In einer Spule findet innerhalb kurzer Zeit eine große Stromänderung
dI Spule
dt
statt. Da jede Spule eine Induktivität besitzt, wird während der Kommutierung eine Spannung gemäß U = -L
dISpule
dt
induziert
(Selbstinduktion). Die Spule dreht sich außerdem im Erregerfeld. Auch hiervon wird eine Spannung induziert. Letzteres kann verhindert werden, wenn sich die Bürsten an der Stelle befinden, an der das Hauptfeld den Wert Null annimmt. Diesen Bereich nennt
man auch neutrale Zone.
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Gerade beim Universalmotor ist eine funkenfreie Kommutation praktisch nicht möglich. Es wird immer eine Spannung in der durch die Kommutatorbürsten kurzgeschlossenen Wicklung induziert (s.o.). Die eine Ursache der Spannungsinduktion ist
das zeitlich veränderliche Feld in der Maschine durch den Betrieb der Erregerwicklung mit Wechselstrom. Man spricht hier von der transformatorisch
Ankerspannung.
Weiterhin
wird
auch
durch
induzierten
die Rotation der Wicklung im
Magnetfeld eine Spannung induziert. Demnach spricht man von der rotatorisch
induzierten Ankerspannung. Damit ist die gesamte in der kurzgeschlossenen Spule induzierte Spannung abhängig vom Betriebspunkt. Aus diesem Grund kann die
Kommutierung nur für einen Betriebspunkt optimal eingestellt werden. Daher
tritt beim Universalmotor immer Bürstenfeuer auf. Dies ist vertretbar, da die Motoren
in den meisten Fällen nicht im Dauerbetrieb arbeiten (z.B. Haushaltsgeräte, Werkzeuge).
Beim Universalmotor ist der Ankerstrom zeitlich veränderlich, d.h. der Strom in den
einzelnen Ankerwicklungen kommutiert nicht - wie bei einer Gleichstrommaschine zwischen zwei betragsmäßig gleichen Werten, sondern zwischen den Werten einer
Sinuskurve.
a) Kommutierung bei Wechselstrom
Bild 13: Stromverlauf in der Ankerwicklung
b) Kommutierung bei Gleichstrom
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6 Verständnisfragen
1. Was unterscheidet Kleinmaschinen von mittleren und großen Maschinen?
2. Wie lässt sich bei einer Dreiphasenwicklung die Drehrichtung des entstehenden
Drehfeldes umkehren?
3. Welches Drehmoment liefert eine Asynchronmaschine, wenn sie mit synchroner
Drehzahl läuft?
4. Welche Frequenz hat der Strom im Rotor einer Asynchronmaschine im Stillstand?
5. Was für Vorteile hat die Asynchronmaschine?
6. Warum kann eine Einphasenmaschine nicht selbstständig anlaufen?
7. Wodurch wird die Drehrichtung eines Einphasenmotors festgelegt?
8. Warum werden bei Zweiphasenmotoren u.a. Anlauf- und Betriebskondensatoren
vorgesehen?
9. Wie kann die Drehrichtung eines Zweiphasenmotors umgekehrt werden?
10. Welche Arten von Spaltpolmotoren gibt es?
11. An welchem Teil eines Spaltpolmotors sind im Betrieb die höchsten
Erwärmungen zu erwarten?
12. Wie lässt sich die Drehzahl eines Spaltpolmotors ändern?
13. Welche Maschinen besitzen einen höheren Wirkungsgrad: Zweiphasenmotoren
oder Spaltpolmotoren? Warum?
14. Welche Maschinentypen haben einen Käfig im Rotor?
15. Welche grundsätzliche Eigenschaft unterscheidet eine Universalmaschine von den anderen vorgestellten Maschinentypen?
16. Warum werden die Erregerpole von Universalmaschinen geblecht?
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
18. Wie lässt sich die Drehzahl einer Universalmaschine und wie die Drehrichtung
ändern?
19. Warum darf bei einer fremderregten Gleichstrommaschine nicht ohne weiteres die Erregerspannung heruntergefahren werden?
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7 Versuchsteil
7.1 Ein- und Zweiphasenasynchronmaschine
sw
Identifizieren Sie die Anschlüsse der Mo-
toren, indem Sie die Wicklungswiderstände messen (notieren Sie diese). Dabei ist der Widerstand der Hilfswicklung
M
~
br
größer, da hier Leiter mit kleinerem
Querschnitt verwendet werden.
bl
Bild 14: Zweiphasen-ASM
i.
Prinzip des Anwurfmotors
a) Schließen Sie am Asynchronmotor mit symmetrischer Wicklung nur eine
Wicklung an (Phase L1 an den blauen Anschluss, den Neutralleiter N an
den braunen Anschluss und der schwarze Anschluss bleibt offen). Schalten Sie den Motor an das Netz (ohne ihn zu belasten), erhöhen Sie die
Transformatorspannung
in
50V
Schritten
von
und
0V
versuchen
bis
Sie
max.
ihn
230V
anzuwerfen.
Wie verhält sich qualitativ die Leerlaufdrehzahl diesen verschiedenen
Spannungen? Erstellen Sie hierzu eine Tabelle in der Sie die verschiedenen Werte eintragen und diese anschließen in Ihrem Bericht interpretieren.
b) Schließen Sie nun auch die zweite Wicklung an (den schwarzen Anschluss
ebenfalls an Phase L1 anlegen, ohne zusätzliche Impedanz im Hilfskreis)
und wiederholen Sie den Versuch.
c) Führen Sie die beiden obigen Versuchspunkte nun mit dem asymmetrisch
gewickelten Motor durch.
Bericht:
Notieren Sie ihre Ergebnisse und erläutern Sie anhand der
obigen Feststellungen die Unterschiede der beiden Wicklungsarten!
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
ii. Zweiphasenasynchronmaschine
Schließen Sie nun einen Kondensator in Reihe zum Hilfskreis und wiederholen Sie den Versuch erneut.
Wie lässt sich die Drehrichtung umkehren?
iii. Kennlinie der Zweiphasenasynchronmaschine
(Versuchsaufbau: Kondensatormotor mit Hysteresebremse)
Messen sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie des Kondensatormotors für die
Ständerspannungen 90 V und 120 V. Dazu legen sie die entsprechende Ständerspannung an die Klemmen 1 und 2 der Maschine an.
An der Welle der Kondensatormaschine ist über zwei Kupplungen ein Drehmomentenaufnehmer installiert. Mit diesem Drehmomentenaufnehmer ist es möglich sowohl Drehmoment als auch Drehzahl direkt zu messen. Je nach Drehzahl bzw.
Drehmoment erzeugt der Drehmomentenaufnehmer, auf dem jeweiligen Kanal, eine Spannung zwischen 0 und 5 V. Diese Spannungswerte werden durch einen
X/Y-Schreiber aufgezeichnet.
Durch einen Spannungsteiler wird die Drehzahl an die Hysteresebremse weiter
gegeben.
Beginnen Sie die Aufnahme der Kennlinie bei der maximalen Motordrehzahl
(ohne Belastung des Motors). Erhöhen Sie nun langsam die Belastung für
den Motor durch Einstellen eines Bremsstromes - die Motordrehzahl sinkt,
der Strom der Hysteresebremse steigt. Um die Stromwerte aus der Aufzeichnung des XY-Schreibers ablesen zu können, muss die Stromachse kalibriert werden. Messen Sie hierzu das Drehmoment, den Hysteresestrom
und die Drehzahl und ermitteln Sie anschließend in Ihrem Bericht den Maßstab der Stromachse. Dazu wird z.B. der Stromwert I = 80 mA auf dem Papier der Kennlinie eingetragen.
Wichtig! : Die Drehzahl wird mit dem optischen Drehzahlsensor ermittelt. Messen Sie die Strom- und Drehzahlwerte für den Leerlauf, für I= 80 mA sowie für
das Kippmoment
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Praktikumsversuch Kleinmaschinen
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Bericht:
Mithilfe der Strom-Drehmoment-Kennlinie der Hysteresebremse (siehe S. 25) kann das Drehmoment der
Asynchronmaschine ermittelt werden. Zeichnen Sie jeweils eine Ordinatenachse für den Strom der Hysteresebremse sowie für das Drehmoment und skalieren Sie diese sinnvoll. Auf der Abszisse soll die Drehzahl aufgetragen und ebenfalls sinnvoll skaliert werden.
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
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Hysteresebremse HB-210-2
M [Nm]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0,05
0,1
0,15
I [A]
0,2
0,25
0,3
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
Seite 26
7.2 Spaltpolmotor
i.
Erwärmung
Der symmetrische Spaltpolmotor ist mit zwei Platinwiderständen PT 100 (100 Ω bei
0 °C) versehen. Dabei ist einer direkt auf dem Ständerkurzschlussring befestigt, der
andere am Blechpaket. Der jeweils angeschlossene PT 100 wird mit einem konstanten Strom von Imess = 10 mA gespeist. Die Temperatur wird dann über den Spannungsabfall des Widerstandes bestimmt. Bei einer Temperatur von 0 °C fällt also
eine Spannung von 1 V ab. Die Aufzeichnung dieser Messung erfolgt mittels eines
Schreibers. Kalibrieren Sie den Messaufbau so, dass Sie bei einer Temperatur
von 110 °C am Schreiber Vollausschlag erhalten (UMotor = 230 V).
Achtung:
Nach jeder der folgenden Messungen ist der Motor mit dem Ventilator
auf ca. 30 °C – 40 °C herunterzukühlen.
Messungen:
a) Erwärmung des Kurzschlussringes bei unbelastetem Motor und UMotor = 230V
b) Erwärmung des Kurzschlussringes bei unbelastetem Motor und UMotor = 150V
Bericht:
Interpretieren Sie Ihre Ergebnisse und notieren Sie diese.
Markieren Sie die Anfangs, die maximale sowie die Endtemperatur und
skalieren Sie die Achsen dementsprechend sinnvoll! ii.
Elliptisches Drehfeld
Schließen Sie den asymmetrischen Spaltpolmotor an (UMotor = 230 V). Oszillographieren Sie die Spannungen in den Messwicklungen. Welche Rückschlüsse ergeben sich hieraus für die magnetischen Flüsse im Haupt- als auch im Hilfspols des
Ständers.
Bericht:
Erklären Sie anhand ihrer Beobachtung das Funktionsprinzip des Spaltpolmotors.
Skizzieren Sie die beiden magnetischen Flüsse, welche Phasenverschiebung ergibt
sich?
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
Seite 27
7.3 Universalmotor
Universalmotor:
L+/L1
L-/L1
1
A1
I
2
M
D1
D2
A2
Bild 15: Universalmotor
Fremderregte Gleichstrommaschine:
L+
L+
L-
LA1
2
IF
G
A2
F2
3
F1
1
4
Bild 16: Fremderregte Gleichstrommaschine
A
C
H
T
U
N
G:
Bevor
Sie
den
Maschinensatz
einschalten,
muss
die Erregerspannung des fremderregten Gleichstromgenerators auf Uerr,min=25 V(siehe Bild 16) eingeschaltet werden.
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
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Schließen Sie den Lastwiderstand (25 Ω) in den Ankerkreis (Klemmen 2 und 4) der
Maschine an. Verschalten Sie die beiden Wattmeter so, dass Sie die aufgenommene (Universalmaschine) und abgegebene (Gleichstrommaschine) elektrische Leistung messen können.
i.
Bürstenfeuer
Belasten Sie die Gleichstrommaschine mit einem Ankerstrom IA = 0,6 A. Betreiben Sie
die Universalmaschine nacheinander mit Gleich- und Wechselstrom und untersuchen
Sie die Bildung des Bürstenfeuers.
ii.
Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie
Bestimmen Sie die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie des Universalmotors bei
Gleich- und Wechselstrom aus der abgegebenen mechanischen Leistung Pmech. Beginnen Sie die Aufnahme der Kennlinie bei Wechselspannungsbetrieb mit Uerr = 25V
und bei Gleichspannungsbetrieb mit der doppelten Erregerspannung, also 50V. Belasten Sie den Maschinensatz indem Sie die Erregerspannung der Gleichstrommaschine
in 5V Schritten gleichmäßig erhöhen und messen Sie in jedem Punkt die aufgenommene Wirkleistung (Pauf, el), die abgegebene elektrische Leistung (Pab, el), die Drehzahl n
mittels des Handtachometers und den Ankerstrom Ia bei vorgegebener Betriebsspannung UMotor. Erstellen Sie hierzu eine Tabelle in Querformat.
Betriebsspannung am Universalmotor :
-
Gleichspannung: UMotor = 60 V,
Wechselspannung: UMotor = 90 V~
Der Ankerwiderstand der Gleichstrommaschine beträgt: RAnker = 7,5 Ω.
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
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Die Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie und der Wirkungsgrad lassen sich mit
folgenden Gleichungen bestimmen:
M=
Pmech
60 1
= Pmech ⋅
⋅
wmech
2p n
2
Pmech = Pab,el + RAnker ⋅ I Anker
h=
Pmech
Pauf,el
Bericht:
Legen Sie eine Tabelle in Querformat an, in der folgende Werte aufzuführen
Sind (einige Werte sind mit Hilfe der oben genannten Formeln zu bestimmen):
• Drehzahl n [1/min],
• Drehmoment M [Nm],
• Wirkungsgrad η [%],
• aufgenommene elektrische Wirkleistung Pauf, el [W],
• abgegebene elektrische Wirkleistung Pab, el [W],
• Ankerstrom IAnker [mA] und die
• mechanische Wirkleistung Pmech [W].
Zeichnen
Sie
die
Drehzahl-Drehmomenten-Kennlinie
(M
=
f(n))
auf und interpretieren Sie deren Verlauf in Bezug auf die typischen Eigenschaften eines Reihenschlussmotors.
Anmerkung: Bei diesem Verfahren wird das Drehmoment über die von der
Gleichstrommaschine abgegebene elektrische Leistung bestimmt. Dabei nimmt man vereinfacht an, dass in der Gleichstrommaschine nur
ohmsche Verluste in der Ankerwicklung auftreten.
Bestimmen Sie jeweils für Gleich- und Wechselstrombetrieb auch den Wirkungsgrad
der Universalmaschine und tragen Sie diesen über die Drehzahl auf. Binden Sie beide Kennlinien (Drehzahl -Drehmomenten-& Drehzahl –Wirkungsgrad-Kennlinie) mit
2 unterschiedlichen Achsen in ein Diagramm ein.
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
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Sicherheitsrichtlinien
für
das
Maschinen-
und
Leistungselektroniklabor
In den Laborräumen sind größere Berührungsspannungen als 30 Veff vorhanden.
Bei Arbeiten in den Laborräumen ist daher größte Vorsicht geboten.
A. Schaltungsaufbau
1. Der Auf- und Abbau von Schaltungen darf nur im spannungslosen Zustand und
bei Stillstand aller Maschinen erfolgen.
2. Auf eine sachgemäße Erdung aller Geräte ist besonderer Wert zu legen. Der
Netzanschluss eines Messgerätes ohne vorgesehenen Schutzleiter ist nur ausnahmsweise und mit Genehmigung des Betreuers gestattet.
3. Der Umbau von Schaltungen darf nicht bei Spannungen über 30 Veff durchgeführt
werden.
4. Bei Spannungen über 30 Veff dürfen keine spannungsführenden Teile der
Schaltung berührt werden, auch nicht mit einer Hand allein.
5. Bei der Verwendung von Widerstandsdekaden und Schiebewiderständen in Experimentierschaltungen ist darauf zu achten, dass diese nicht durch unzulässig große
Ströme beschädigt werden. Vor dem Einsatz dieser Geräte sind die Ströme im Voraus zu berechnen und mit den zulässigen Werten zu vergleichen.
6. Vor dem Um- und Abbau von Schaltungen sind bei abgeschalteter Versorgungsspannung Kondensatoren,
welche
noch
eine Restladung haben können, zu
entladen. Dabei ist Punkt 4 zu beachten.
7. Jeder Eingriff in Geräte ist nur mit Genehmigung des Betreuers zulässig.
8. Wird oder ist ein Bauteil/Gerät beschädigt oder hat den Anschein defekt zu sein,
so ist der Benutzer verpflichtet, die Beschädigung dem Lehrstuhl umgehend zu melden (bzw. bei Praktika dem Betreuer), damit die erforderlichen Reparaturen eingeleitet werden können.
9. Aufgebaute Schaltungen sind vor dem Einschalten der Spannung vom Betreuer
des Versuchs (der Arbeit) zu kontrollieren.
Praktikumsversuch Kleinmaschinen
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10. Von rotierenden Teilen ist Abstand zu halten. Sie sind so aufzustellen, daß eine
unbeabsichtigte Berührung vermieden wird.
11. Es ist nicht mit feuchten Händen an elektrischen Anlagen und Schaltungen zu
arbeiten. Daher ist Essen und Trinken während der Arbeit im Labor untersagt. Dafür
können kurze Pausen eingelegt werden.
B. "Not-Aus"-Schalter
12. Bei einem Unfall sind sofort alle Spannungen abzuschalten bzw. der "Not-Aus"Schalter zu betätigen sowie die aufsichtführende Person zu verständigen.
13. Informieren Sie sich vor Beginn des Versuches über die Lage des "Not-Aus"Schalters. Der Zugang zu diesem Schalter darf in keiner Weise behindert werden.
Der "Not-Aus"-Schalter darf nur im Ernstfall betätigt werden.
C. Allgemeine Richtlinien
14. Jeder ist verpflichtet, Erste Hilfe zu leisten. Informieren Sie sich vor Beginn der
Arbeiten im Labor über sicherheitsrelevante Dinge (Telefon, Ersthelfer, Rettungsmittel, Fluchtwege, ...).
15. Neben der Einhaltung dieser Sicherheitsrichtlinien wird eine weitgehende Eigenverantwortlichkeit der Studenten verlangt, da durch die Einhaltung dieser Richtlinien
allein noch nicht allen möglichen Unfällen im Labor vorgebeugt werden kann.